解决“控制问题”需要“进一步”

解决“控制问题”需要“进一步” 林月测

[案例背景]

《控制与设计》是《技术与设计2》第四章的内容，包括“控制的手段与应用”、“控制系统的工作过程与方式”、“闭环控制系统的干扰与反馈”、“控制系统的设计与实施”等四节。该章节知识是公认的最困难却又最重要知识点之一，由于内容枯涩，感念抽象，这些知识的讲解就显得比较生硬，学生难以理解，最终只能死机硬背，从而导致学生在回答相关的题目时无从下手，屡屡犯错。许多老师都反映该章节难教，题目难解，学生听不懂，不会做题，甚至于老师之间也常常在该章节的一些问题上争执不休，意见不同。据有关数据统计，2010年9月份高考中，控制题的学生得分分布情况为满分6分，平均得分为3.41分左右。数据显示学生在这里的得分是不理想的。因此，能有效指导学生分析“控制”问题，总结出有效的解题方法是十分有必要的。

[案例描述]

〖案例一〗

本案例教学内容是“控制系统的工作过程与方式”中“闭环控制系统”。教师将本节内容分成两个课时，第一课时讲解的是“控制系统”和“开环控制系统”，主要讲解什么是控制系统，控制系统的输入与输出的关系，开环控制系统的概念和基本组成，本课时是建立在第一课时的基础上展开的，主要讲解闭环控制系统的概念和基本组合及与开环控制系统的区别。

教师首先进行了知识回顾，复习了控制系统的输入输出关系和开环控制系统的组成及特征，然后导入新课。

师：上一节课我们讲到学校的游泳池没水了，请大家设计一个方案为游泳池

注水，大家想出了好几个方案，不知道大家还记得我们都采用了什么方法吗？

生：设计一个定时器，在设定的时间里自动给游泳池注水。

师：不错，我们只要测好进水的流速和游泳池注满时的体积就能计算出泳池

注满水所用的时间，然后在定时器上设定好需要的注水时间，时间一到，就停止注水，这时泳池的水也就注满了。非常方便的方法。

师：但是，我想请大家考虑一下，如果用这种方式注水，会不会出现一些意

外呢。 （学生思考） 生：可能会出现故障。 师：恩，有可能，还有吗？

生：如果突然没自来水了，然后时间又到了，这时水就加不满了。也有可能

进水的量多起来了，还没到时间水就加满了。

师：对，这是非常有可能的，现实当中的进水量可是有可能会在变化的。如

果时间到了水还没加满，你不知道这回事就跳下去游泳，游泳池会被你的头撞坏的。（学生笑）如果时间没到水就加满了，你又不知道，就会浪费很多水。有什么方法可以解决这样的问题呢？ 生：加一个能够检测水位的装置。

师：yes，只要我们加一个水位电极，用来检测游泳池的水位。（教师在黑板

画个游泳池和水位电极）。这样我们就不用设定进水时间了，而是要设定好泳池注满水时的水位，把水位电极安装在附近，当水满到电极，电极就能将“水满了”的信息告诉控制系统，系统做出判断后就关闭了阀门，这样水就停止注入了。就不会满出来。 师：在这个方案中，我们能不能泳池的实际水位啊？ 生：能，通过水位电极检测。

师：对，以后我们就把像水位电极一样能检测到输出量并把返回到输入端的

装置叫做检测装置。（然后教师在黑板上画出闭环控制系统的框图） 师：同学们注意看，这个框图比我们学过的开环控制系统多了什么？ 生：多了个检测装置，还有个比较器，构成了一个闭环回路。

师：对，以后我们把这条回路，也就是检测装置把输出量返回到输入端比较

的过程称为反馈。

师：我们把系统的输出量通过检测装置返回到输入端并对控制过程产生影响

的控制系统称为闭环控制系统。

师：同学们能不能讲出开环控制系统和闭环控制系统的区别，如果去分辨它

们呢？

（学生在老师提示下思考）

生：开环没有检测装置，闭环有。开环没有反馈，闭环有。

师：非常正确，有检测装置，能够反馈是闭环控制系统的特征，也是我们判

断开环和闭环的依据。都懂了吗？ （学生表示懂了）

师：下面我们一起去做个练习，判断一下以下几个控制系统是开环控制系统

还是闭环控制系统。

（教师在ppt上播放练习：1空调温度控制系统2抽水马桶水位控制系统3

自动门控制系统4白天灭晚上亮的路灯控制系统） （学生思考问题，大概5分钟后） 师：哪位同学能告诉我答案呢。

生：„„（学生有各自的意见，但是据大概统计，半数同学都判断四个控制

系统都是闭环控制系统，其实答案是1和2是闭环控制系统，3和4是开环控制系统）

师：觉得他们都是闭环控制系统的同学能给我理由吗。

生：因为都有检测装置，有反馈。空调温度控制系统要检测实际温度，水位

控制系统要检测实际水位，自动门控制系统要检测有没有人，路灯控制系统要检测是白天还是晚上。（学生的大概意思）

师：多数同学都能正确判断，但是还有部分同学掌握的不是很好„„

接着教师就公布正确答案，然后解释为什么刚才同学回答的答案不对，是因为自动门和路灯起检测的不是检测装置，学生有些茫然，于是教师又再讲解了检测装置的概念和理解。学生表示懂了，可是看起来并没有真懂，后来教师又让学生做了几个练习，学生还是不能做对，对闭环控制系统还是不能都理解。

问题提出：本节课的前半节教学其实非常流畅，教师有条不紊的讲解闭环控制系统的知识，也没有犯什么大的错误，讲解判断开环和闭环控制系统

的区别也没有错，非常符合教材的要求，教材中就说明有反馈的控制系统是闭环控制系统，没有反馈的是开环控制系统。但是，为什么学生看似都懂了，却在解题时屡屡犯错呢。我想是因为这位老师讲的方法并不是学生能快速有效掌握的方法。那么，教师是否能进一步为学生思考，归纳出适合学生理解的方法呢。

〖案例二〗

这个案例是高三的一位老师讲解控制系统习题的一个教学片断。 … …

师：下面我们来解这道控制题，大家看题目。（学生手上有纸质的练习题，同时教师在ppt上播放题目） 题目如下：

图为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。

（1）请根据上面示意图，补充完整摄像机角位置自动跟踪系统方框图。（在有“▲”处填写相应的内容）

⑥给量

+ _ 控制器 ① 执行器 ②▲ 被控对象 ③▲ 被控量 ④▲

检测装置 ⑤▲ （2）将输出量通过湿度传感器返回到输入端与设定湿度进行比较 的过程称 ▲ 。

师：请同学们大概花7分钟的时间思考解题，注意用倒推的方法解题。 （学生思考、做题，大概花了7分钟，期间，我看了一下周围同学的答案，

能够全对的同学寥寥无几。接着教师叫同学回答，发现同学们回答的不对，然后用“倒推”的方法做了讲解，公布了正确答案。讲了控制器、执行器、被控对象是分别是调节器、自动阀门，谷物，讲了输入量和输出量分别是设定湿度和实际湿度。接着又让同学们做了一个相似的练习，我再观察了一圈，结果学生还是做的非常吃力。好像无从下手的样子。课后我问了一位学生，他说根本就不知道怎么回事，不明白为什么会填这些东西。）

问题提出：高三的练习课这么上也是可以理解的，但前提条件是要学生都懂

了该知识，明白了解题方法，有较好的解题思路和步骤，虽然教师也好像讲解过“倒推”的方法，但很显然这个班级的同学没有掌握了这些知识和方法。这样的课显然是效果不好的。我想，教师同样需要进一步思考，如何才能让这些方法更贴近学生，更加有效果。 [案例评析]

一堂课好不好关键要看他是否高效，而是否高效关键是看学生掌握的怎么样，所讲的知识是否能够让学生容易的接受，并能形成一定的方法，举一反三。要让学生容易掌握，就需要为学生进一步思考，归纳适合他们掌握和实践的方法。如果一堂课上的风风火火，可是学生不能很好掌握知识，有什么用呢。所以，高效的课就是要能帮学生掌握一种以简单的方式理解复杂知识的方法。对于控制系统这一块知识更是如此。基于这两个案例，我做了以下思考。

一、以学生的思考模式或者适合学生思考的模式讲解解题方法。 案例一中，教师的讲解很到位，很正统，但是没有考虑到自己学生的实际学情。为什么学生能在游泳池案例中表现的很好，但一到其他题目就不能解决了呢。我事后经过思考，觉得原因在于学生根本就没有真正理解什么是检测装置，更加不理解反馈了，之所以在泳池水位控制系统中都能理解是因

为老师事先做了详细的讲解（开环控制系统也是以泳池为例），而实际解题中却不会有老师帮你讲解。因为对检测装置和反馈的概念不理解，以为能检测的就一定是检测装置，对反馈理解更是模糊，这样，一开始就判断错误了检测装置和反馈，再以错误的判断去判断是开环还是闭环能正确才怪。

那么怎么帮助学生理解检测装置，怎样用适合学生的思考模式帮助学生理解反馈呢？我结合自己的教学，得出了这样一种思考模式。我没有止步了反馈和检测装置的概念，而是思考，什么情况下才会反馈，即需要检测装置。如果学生也理解了这种情况，那判断起来是不是会方便多了呢。经过思考，我发现，只有当输出量是一种状态可以连续波动的物理量才需要用检测装置时时检测。如温度控制，温度是可以连续波动的物理量，所以要用闭环才能精确控制。再如水位控制，水位也是可以连续波动的物理量，也需要闭环控制。而像自动门控制系统，虽然也有检测，但是这时检测的是外界信号，而不是输出量，为什么这时不需要检测输出量呢，因为自动门的输出量是门的开和关，状态就只有两种，没有必要时时检测。所以我得出这样的结论，如果输出量状态是连续波动不可数的物理量，则为闭环控制系统，如果输出量状态是可数的，则为开环控制系统。运用这种方法学生就不需要用抽象的不理解的反馈概念去判断开环还是闭环了。经过教学实践，这种方法学生掌握的非常容易，都能十分快速的分辨开环控制系统和闭环控制系统。

二、分清题解步骤，以直接可行的方法指导学生解题。

案例二中我可以看出学生表现的很迷茫，他根本就不理解老师为什么会这么解题，为什么要在框框里填这些东西。其实很多学生都会表现出这样的迷茫，我在教学中夜发现了这样的情况，虽然我们讲解了基本概念，讲解了一些解题方法，如“倒着推理”等，但是学生很显然对“输入量”、“输出量”“控制量”“控制器”“执行器”“被控对象”“检测装置”等概念不理解。对于高三的学生，我觉得这时候对他们高效的再不是讲解概念，而是切实可行的解题步骤和方法。甚至可以说即使不理解概念也没关系，只要能有一种好的方法，让他们在不理解概念的情况下都能做对题目，这才是高效的。

我经过分析，寻找到了这样的方法。我给学生制定了一种回答步骤，第一步，读题时用笔把是装置的名词划出，名词和名词间的动词用笔圈起来。第二步，找

到控制目的，控制目的就是输出量。第三步，根据输出量的状态判断是开环控制还是闭环控制（方法在案例一分析中已提到）。如果是闭环的就把输入量填好。第四步，找到输出量的定语，定语即为被控对象。第五步，在题目文字里找到被控对象，然后把这句话变成“主谓宾”的结构，会发现宾语就是刚才找到的被控对象，那么主语就是执行器。再以同样的方法推敲出控制器和检测装置。第六步，检测一下信号是否都能流通，能流通就表明所填的答案是对的。

根据这样切实可行的步骤，学生一般都能容易的解决控制题，这也是在我教学过程中经过实践的。